Simulating sea ice freezing using a continuum mechanical multi-phase and multi-component homogenization framework
Year: 2025
Type: article
Abstract: The formation of porous sea ice in the polar oceans is a complex process influenced by the interaction between saline seawater and temperature. As ocean warming and environmental changes continue in these regions, a likely impact on the microstructure of sea ice is expected to occur, which in turn affects the biogeochemical processes associated with ice formation. To better understand and model the phase transition phenomena, this study presents a biphasic model that considers both solid ice and saline seawater within the framework of extended Theory of Porous Media (eTPM). This approach applies a continuum mechanical treatment on multiple phases and components associated with ice and seawater. The model captures phase transition between ice and brine using an interfacial mass transfer method, where the mass exchange is treated as a jump across an interface separating the two phases. This mass production is governed by factors such as heat flux, specific enthalpies, and the interfacial area. The resulting system of equations provides a high-fidelity representation of the ice-brine interactions and is solved using the Finite Element Method (FEM). To validate the approach, the study includes academic test cases as proof of concept.
Language: English
Subfield: Atmospheric Science
Field: Earth and Planetary Sciences
Domain: Physical Sciences
Open Access status: hybrid
Estimated APC paid: $2,960
Awards: G1222465449, G1334133226, Methodenentwicklung zur robusten hybriden wissens und datengetriebene Modellordnungsreduktion für deformierbare poröse fluidgesättigte Materialien, SFB 1313: Grenzflächenbeeinflusste Mehrfeldprozesse in porösen Medien Strömung, Transport und Deformation, Polymorphe Unschärfemodellierung, Auswertung und Quantifizierung flüssigkeitsgesättigter Böden und Erdbauwerke, CompLS - Runde 5 - Verbundprojekt: ATLAS - Al and Simulation for Tumor Liver Assessment - Entwicklung eines Systems zur klinischen Entscheidungsunterstützung in der Diagnose und Behandlung von Lebertumoren auf Basis von künstlicher Intelligenz und Simulationen - Teilprojekt A, Simulationsgestützte Bewertung von Spenderorganen vor Lebertransplantation (SimLivA) kontinuumsbiomechanische Modellierung für die Beurteilung von IschämieReperfusionsschäden, Modellierung kleinskaliger Prozesse im antarktischen Meereis und ihre Auswirkungen auf die biologische Kohlenstoffpumpe im zukünftigen Südpolarmeer ein physikalischbiologischer gekoppelter zweiskalen Ansatz, G7302806451, FOR 5151: Quantifizierung des Zusammenhanges zwischen Leberperfusion und funktion bei erweiterter Leberresektion Ein systemmedizinischer Ansatz (QuaLiPerF), EXC 2075: Datenintegrierte Simulationswissenschaft (SimTech)
OpenAlex ID: W6959054577
